Основным признаком классификации приборов контроля и средств автоматизации является роль, которую они играют в системах автоматического регулирования и управления по отношению к потоку информации.
Задачами технических средств автоматизации вообще являются:
-
получение первичной информации;
-
ее преобразование;
-
ее передача;
-
обработка и сравнение полученной информации с программой;
-
формирование командной (управляющей) информации;
-
передача командной (управляющей) информации;
-
использование командной информации для управления процессом.
Датчики свойств и состава веществ играют головную роль в системе автоматического регулирования, они служат для получения первичной информации и в большой степени определяют качество работы всей системы автоматического регулирования.
Установим некоторые основные понятия. Что такое измерение, свойства, состав среды? Свойства среды определяются численными значениями одной или нескольких физических или физико-химических величин, поддающихся измерению.
Измерение есть процесс выявления путем эксперимента количественного соотношения определенной физической или физико-химической величины, характеризующей свойства испытуемой среды и соответствующей величины среды эталона. Под экспериментом понимается объективный процесс активного воздействия на испытуемую среду, производимого при помощи материальных средств в фиксированных условиях.
Состав среды, т. е. качественное и количественное содержание составляющих ее компонентов, может быть определен по известной зависимости его от физических или физико-химических свойств среды и величин, их характеризующих, поддающихся измерению.
Как правило, свойства и состав среды определяются косвенным путем. Измеряя различные физические или физико-химические величины, характеризующие свойства среды, и зная математическую зависимость между этими величинами, с одной стороны, и составом среды, с другой, мы имеем возможность с большей или меньшей степенью точности судить о ее составе.
Иными словами, для того чтобы выбрать или построить измерительный прибор, допустим, для определения полного состава многокомпонентной среды, необходимо, во-первых, установить, какими физическими или физико-химическими величинами характеризуются свойства этой среды, и, во-вторых, найти зависимости вида
ki = f (C1, С2, ... Сm),
где ki - концентрация каждого из компонента среды, C1, С2, ... Сm - физические или физико-химические величины, характеризующие свойства среды.
Соответственно прибор, служащий для контроля состава среды, может быть отградуирован в единицах концентрации определенного компонента или свойств среды, если между ними в каких-то пределах имеется однозначная зависимость.
Приборы автоматического контроля физических и физико-химических свойств и состава веществ являются приборами, которые измеряют отдельные физические или физико-химические величины, однозначно определяющие свойства среды, либо ее качественный или количественный состав.
Однако опыт показывает, что для осуществления автоматического регулирования или управления достаточно изученным технологическим процессом не обязательно в каждый данный момент времени иметь полную информацию о составе промежуточных и конечных продуктов и о концентрации некоторых их компонентов. Такие сведения обычно требуются при создании, изучении и освоении процессов.
Когда выработан оптимальный технологический регламент, найдены однозначные зависимости между ходом процесса и поддающимися измерению физическими и физико-химическими величинами, характеризующими свойства и состав продуктов, то можно вести процесс, отградуировав шкалу прибора непосредственно в тех величинах, которые он измеряет, например в единицах температуры, силы электрического тока, емкости и т. п., либо в единицах определяемого свойства среды, например цветности, мутности, электрической проводимости, вязкости, диэлектрической проницаемости и т. п.
Ниже рассмотрены основные методы измерения физических и физико-химических величин, определяющих свойства и состав среды.
Существующие исторически сложившиеся товарные номенклатуры включают в себя следующие основные группы приборов:
-
газоанализаторы,
-
концентратомеры жидкостей,
-
плотномеры,
-
вискозиметры,
-
влагомеры,
-
масс-спектрометры,
-
хроматографы,
-
рН-метры,
-
солемеры,
-
сахариметры и т. д.
Эти группы в свою очередь подразделяются по методам измерения, либо по анализируемым веществам. Крайняя условность такой классификации и возможность отнесения конструктивно одинаковых приборов к различным группам затрудняют изучение, выбор и сравнение приборов.
К приборам непосредственного измерения относятся такие, в которых определяются физические или физико-химические свойства и состав непосредственно испытуемого вещества. В отличие от них в комбинированных приборах проба испытуемого вещества подвергается воздействиям, существенно изменяющим ее химический состав, либо агрегатное состояние.
Как в том, так и в другом случае возможна предварительная подготовка пробы по температуре, давлению и некоторым другим параметрам. Помимо этих двух основных классов приборов, встречаются и такие, в которых может производиться одновременно непосредственное и комбинированное измерение.
Приборы непосредственного измерения
В приборах непосредственного измерения физические и физико-химические свойства среды определяются посредством измерения следующих величин: механических, термодинамических, электрохимических, электрических и магнитных и, наконец, волновых.
К механическим величинам относятся прежде всего плотность и удельный вес среды, определяемые посредством приборов, основанных на поплавковых, весовых, гидростатических и динамических методах измерения. Сюда же относится определение вязкости среды, измеряемой различными вискозиметрами: капиллярными, ротационными, основанными на методах падающего шарика и другими.
Из термодинамических величин нашли применение тепловой эффект реакции, измеряемый термохимическими приборами, коэффициент теплопроводности, измерение которого осуществляется термокондуктометричёскими приборами, температура вспышки нефтепродуктов, упругость паров и др.
Широкое развитие для целей измерения состава и свойств жидких смесей, а также некоторых газов получили электрохимические приборы. Сюда относятся прежде всего кондуктометры и потенциометры, т. е. приборы, предназначенные для определения концентрациии солей, кислот и щелочей по изменению удельной электрической проводимости растворов. Это так называемые кондуктометрические концентратомеры, или кондуктометры контактные и бесконтактные.
Очень широкое распространение нашли рН-метры — приборы для определения кислотности среды по электродному потенциалу.
Смещение потенциала электрода в результате поляризации определяется в гальванических и деполяризационных газоанализаторах, служащих для контроля содержания кислорода и других газов, наличие которых вызывает деполяризацию электродов.
Одним из весьма перспективных является полярографический метод измерения, заключающийся в одновременном определении потенциалов выделения различных ионов на электроде и предельной плотности тока.
Измерение концентрации влаги в газах достигается посредством кулонометрического метода, при котором определяется скорость электролиза воды, адсорбированной из газа влагочувствительной пленкой.
Широкое применение находят приборы, основанные на измерении электрических и магнитных величин.
Ионизация газов с одновременным измерением их электропроводности используется для измерения малых концентраций. Ионизация может быть термическая или под воздействием различных излучений, в частности радиоактивных изотопов.
Термическая ионизация получила широкое использование в пламенно-ионизационных детекторах хроматографов. Ионизация газов альфа- и бета-лучами широко используется в детекторах хроматографов (так называемые «аргоновые» детекторы), а также в альфа- и бетаионизационных газоанализаторах, основанных на разнице в сечениях ионизации различных газов.
Испытуемый газ в этих приборах пропускается через ионизационную камеру альфа- или бета-излучения. При этом измеряется ионизационный ток в камере, характеризующий содержание компонента. Определение диэлектрической проницаемости среды служит для измерения содержания влаги и других веществ посредством различного рода емкостных влагомеров и диэлькометров.
Диэлектрическая проницаемость пленки сорбента, омываемой потоком газа, характеризующая концентрацию в нем водяных паров, используется в диэлькометрических гигрометрах.
Удельная магнитная восприимчивость дает возможность измерять концентрацию парамагнитных газов, в основном кислорода, посредством термомагнитных, магнитоэффузионных и магнитомеханических газоанализаторов.
И наконец, удельный заряд частиц, являющийся, наряду с их массой, основной характеристикой вещества, определяется посредством масс-спектрометров с времяпролетным, высокочастотным и магнитным масс-анализатором.
Измерение волновых величин — одно из наиболее перспективных направлений в приборостроении, основанное на использовании эффекта взаимодействия испытуемой среды с различного рода излучениями. Так, интенсивность поглощения средой ультразвуковых колебаний дает возможность судить о вязкости и плотности среды.
Измерение скорости распространения ультразвука в среде дает представление о концентрации отдельных компонентов или о степени полимеризации латексов и других полимерных веществ. Почти вся шкала электромагнитных колебаний, начиная от радиочастот и кончая рентгеновским и гамма-излучением, находит применение в датчиках свойств и состава веществ.
К ним относятся наиболее чувствительные аналитические приборы, измеряющие интенсивность поглощения энергии электромагнитных колебаний коротковолнового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов, основанные на электронном парамагнитном и ядерном магнитном резонансе.
Самое широкое применение имеют приборы, в которых используется взаимодействие среды со световой энергией в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовых частях спектра. Измеряются как интегральное излучение и поглощение света, так и интенсивность характеристических линий и полос спектров излучения и поглощения веществ.
Находят применение приборы, основанные на оптико-акустическом эффекте, работающие в инфракрасной области спектра, пригодные для измерения концентрации многоатомных газов и паров.
Показатель преломления света в среде используется для определения состава жидких и газообразных сред посредством рефрактометров и интерферометров.
Измерение же интенсивности вращения плоскости поляризации света растворами оптически-активных веществ используется для определения их концентрации посредством поляриметров.
Широкое развитие получили методы измерения плотности и состава различных сред, основанные на разнообразном использовании взаимодействия рентгеновского и радиоактивного излучений со средой.
Комбинированные приборы
В ряде случаев сочетание непосредственного определения физических и физико-химических свойств среды с различного рода вспомогательными операциями, предшествующими измерению, позволяет значительно расширить возможности измерения, повысить избирательность, чувствительность и точность простых методов. Такие приборы мы называем комбинированными.
К вспомогательным операциям можно отнести прежде всего абсорбцию газа жидкостью, конденсацию пара и испарение жидкости, позволяющие при анализе газов использовать методы измерения концентрации жидкости, такие, например, как кондуктометрию, потенциометрию, фотоколориметрию и др., и наоборот, для измерения концентрации жидкостей использовать методы газового анализа: термокондуктометрию, масс-спектрометрию и др.
Одним из наиболее распространенных сорбционных методов является хроматография, представляющая собой комбинированный метод измерения, в котором определению физических свойств испытуемой среды предшествует процесс хроматографического ее разделения на составляющие компоненты. Это упрощает процесс измерения и резко расширяет границы возможностей методов, непосредственного измерения.
Возможность измерения полного состава сложных органических смесей и высокая чувствительность приборов обусловили быстрое развитие в последние годы этого направления в аналитическом приборостроении.
Практическое использование в промышленности находят газовые хроматографы, состоящие из двух основных частей: хроматографической колонки, предназначенной для разделения испытуемой смеси, и детектора, служащего для измерения концентрации разделенных компонентов смеси. Имеется большое разнообразие исполнений газовых хроматографов как по тепловому режиму разделительной колонки, так и по принципу действия детектора.
В хроматографах с изотермическим режимом температура термостата колонки в течение цикла анализа поддерживается постоянной, в хроматографах с программированием температуры последняя изменяется во времени по заранее заданной программе, в хроматографах с термодинамическим режимом в течение цикла анализа изменяется температура различных частей колонки по длине.
В качестве детектора хроматографа может служить в принципе любой прибор для определения физических и физико-химических свойств вещества. Конструктивное его исполнение даже проще, чем других аналитических приборов, поскольку измерению подлежат концентрации уже разделенных компонентов смеси.
В настоящее время широко используются детекторы, основанные на измерении плотности газа, теплопроводности (так называемые «катарометры»), теплового эффекта сгорания продуктов («термохимические»), электропроводности пламени, в которое поступает испытуемая смесь («пламенно-ионизационные»), электропроводности ионизированного посредством радиоактивного излучения газа («ионизационно-аргоновые») и другие.
Будучи весьма универсальным, хроматографический метод дает наибольший эффект при измерении концентрации микропримесей в сложных углеводородных смесях с температурой кипения до 400 - 500° С.
Химические процессы, обеспечивающие приведение среды к параметрам, поддающимся измерению простыми способами, можно использовать почти со всеми методами прямого измерения. Избирательное поглощение жидкостью отдельных компонентов газовой смеси обеспечивает возможность путем измерения объема смеси до и после поглощения измерять концентрацию испытуемых веществ. На этом принципе основано действие объемно-манометрических газоанализаторов.
Широкое распространение получили различные цветные реакции, предшествующие измерению эффекта взаимодействия с веществом светового излучения.
Сюда относится большая группа так называемых ленточных фотоколориметров, в которых измерение концентрации газовых компонентов осуществляется посредством измерения степени потемнения ленты, на которую предварительно нанесено вещество, дающее с испытуемым веществом цветную реакцию. Большое применение этот способ получил для измерения микроконцентраций, в частности, опасных концентраций токсических газов в воздухе производственных помещений.
Цветные реакции используются также в жидкостных фотоколориметрах для повышения их чувствительности, для измерения концентрации бесцветных компонентов в жидкостях и т. п.
Перспективным является измерение интенсивности люминесценции жидкостей, вызванной химическими реакциями. Одним из наиболее распространенных методов аналитической химии является титрование. Метод титрования заключается в измерении физических и физико-химических величин, присущих жидкой среде, которая подвергается воздействию внешних химических или физических факторов.
В момент перехода количественных изменений в качественные (конечная точка титрования) фиксируется затраченное количество вещества или электричества, соответствующее концентрации измеряемого компонента. В принципе это — циклический метод, однако имеются различные его варианты, вплоть до непрерывного. Наибольшее применение в качестве индикаторов конечной точки титрования получили потенциометрические (рН-метрические) и фотоколориметрические датчики.
Арутюнов О. С. Датчики состава и свойств вещества